技术详细介绍
1.成果主要用途
该技术主要用于金属的表面合金化，尤其是钛及钛合金的表面合金化，以提高其表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及抗高温氧化性等。钛合金因其比强度高、耐蚀性好、耐热、无磁、低温力学性能良好等众多优点，已广泛应用于航空、航天、舰船、化工、汽车和生物医学等领域。对钛表面进行处理，赋予其优异的功能后，才能使钛承受更恶劣的服役环境和条件，使钛固有的优异性能得到充分的发挥。
2.成果主要特点
本成果的主要特点是大幅降低钛及钛合金表面合金化工艺温度，在低于钛及钛合金相变温度的条件下，通过等电位针状阴极辉光放电发生装置，对钛及钛合金进行表面合金化，从而达到在提高钛及钛合金表面物理、化学性能的同时，保证基体材料获得良好的综合力学性能。并且本设备操作方便，成本低，放电稳定，能耗低，无污染。
3.主要技术指标参数
等离子辉光放电表面合金化的主要工艺参数有，工作气压、放电电压与电流、渗金属温度、保温时间、源极结构与分布、工件放置方式、工作气体成分。工作气压的综合作用最终导致源极的供给能力和工件的吸收能力发生变化，进而影响合金渗层的形成，气压太高或太低都不利于合金渗层的形成。同样，其它参数都有一最佳范围，太高或太低都不利于渗金属。
4.主要工程案例
案例一
在钛合金表面等电位针状阴极辉光放电制备W-Mo-C共渗层的方法如下：将板状Ti6Al4V钛合金工件4和阵列式钨、钼和石墨针状阴极3置于空心罩体5内，所述工件4和针状阴极3的间距为5~15mm，阵列式钨、钼和石墨针状阴极3中各阴极针之间的距离为5~15mm。放电前采用机械泵将本底气压抽至1Pa以下。进气口一端与质量流量控制器连接，通过质量流量控制器分别控制氩气流量和气体气压，气体流量为50~100sccm，放电气压为30~50Pa；采用直流脉冲电源，脉冲电流占空比30%~60%，电压控制在450~700V，电流1.0~2.0A，放电时间为3~5h，通过红外测温仪对Ti6Al4V钛合金工件进行测温，温度控制在450~600℃，在Ti6Al4V钛合金工件表面形成厚度为8.0~25.0μm的均匀、致密的W-Mo-C合金共渗层，图2为处理前后试样的照片，图3为处理后试样截面的SEM图片。处理后的渗层与基体结合状态良好，合金渗层临界载荷Lc达到67.9N，没有发生脱落现象。渗层的平均硬度和弹性模量分别为10.3GPa和590.0GPa，比基体材料分别提高了3倍和4倍，抗拉强度提高到1103.5MPa，延伸率达到12.7%，有效地避免了高温相变导致的基材机械性能下降和工件变形。表面摩擦系数减小到0.35，年静态腐蚀为基体的1/7~1/5，冲蚀腐蚀是基体的1/37~1/19。由于温度低于相变温度，如图3所示，试样处理前后基体显微组织没有发生变化，保持网篮组织特征。在提高钛合金表面物理、化学性能的同时，保证基体材料获得良好的综合力学性能。
案例二
在纯钛表面等电位针状阴极辉光放电制备W-Mo共渗层的方法如下：将板状纯钛TA1工件和阵列式W-Mo合金针状阴极置于空心罩体内，所述工件和针状阴极的间距为5~10mm，阵列式W-Mo合金针状阴极中各阴极针之间的距离为5~10mm。放电前采用机械泵将本底气压抽至0.1Pa以下。进气口一端与质量流量控制器连接，通过质量流量控制器分别控制氩气流量和气体气压，气体流量为50~80sccm，放电气压为30~40Pa；采用直流脉冲电源，脉冲电流占空比30%~40%，电压控制在500~750V，电流0.5~1.5A，放电时间为3~5h，通过红外测温仪对纯钛工件进行测温，温度控制在650~750℃，在纯钛工件表面形成厚度为10~30μm的均匀、致密的W-Mo合金共渗层，图4为纯钛TA1经W-Mo共渗后表面的SEM照片，由图4所示，合金渗层均匀，致密，无显微裂纹，并与基体结合良好，图5为处理后试样截面的SEM图片。处理后的试样中最大的抗拉强度为546 MPa，比原始试样提升了49%，表面最大的显微硬度为1196 HV，较原始试样增加了6.85倍。纯钛经过W-Mo二元共渗后，其表面硬度增加，抗拉强度增加，表面的力学性能得到改善。
